CN105783828B - 球环模式润滑油膜厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球环模式润滑油膜厚度测量装置，该设备包括润滑油膜两侧接触副及其各自的驱动装置，加载装置，测量装置，上述装置的支撑工作台，该设备特征在于，采用钢球与圆环组成的球‑环接触模型模拟滚动轴承。两套驱动装置分别驱动钢球和圆环，通过显微镜和CCD(Charge‑coupled Device)图像传感器，可采集到加载后钢球与圆环之间润滑油膜形成的干涉图像，分析可得油膜的厚度信息，进而判断钢球与圆环所处的润滑状态。

Description

球环模式润滑油膜厚度测量装置

技术领域

本发明涉及一种润滑性能实验设备，尤其能够测量高速下轴承润滑油膜厚度。

背景技术

在航空发动机、高速铁路列车轮、数控机床主轴等高速转动机械中，关键转动部件大多处在高速、重载的工况下。滚动轴承以其摩擦力小、转动精度高、发热低等特点，广泛应用于上述场合。研究高速下滚动轴承的润滑机理对于分析整个机械系统的可靠性、运转精度、寿命等至关重要。20世纪70年代，在弹性流体动压润滑理论的基础上，Hamrock和Dowson给出了等温点接触全膜弹流的完全数值解，并提出了膜厚计算公式。Cameron等在1963年用光干涉法测量了钢球和玻璃圆盘点接触下的润滑油膜厚度。光干涉法能够在测量润滑油膜厚度的同时，得到接触区域的油膜形状，更利于研究接触表面间发生的润滑现象。之后，采用光干涉法测量油膜厚度的学者，多数建立在球-盘接触的模型上。球-盘模型存在球盘接触区域线速度不一致；在转动过程中，由于离心力的作用，润滑油向外甩；在研究乏油润滑条件下的润滑油膜特性时，离心力导致内外侧油膜厚度呈现不对称分布的特点。为了解决上述问题，并能更加准确的模拟实际轴承的接触形式，可以考虑建立其他形式的接触模型。

发明内容

为了实验模拟滚动轴承的润滑过程，本发明提供了一种实验台，该试验台采用钢球-圆环接触的形式模拟滚动轴承，能够非接触式测量出钢球与外圈在不同工况下的润滑油膜厚度，能够得到运转过程中整个接触区域的膜厚变化状况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟滚动轴承的润滑性能实验台。该实验台包括工作台装置、模拟滚动轴承中轴承外圈的圆环及其驱动装置、模拟滚动轴承中滚子的钢球及其驱动装置、包含模拟滚动轴承中轴承内圈的支撑装置及其加载装置、数据采集装置。

所述的工作台装置包括工作台、导轨、丝杠部件、可移动装配平板、不可移动装配平板。导轨固定于工作台；装配平板一面加工有导轨槽，与导轨配合；丝杠部件中，轴承组件固定于工作台上，限制丝杠自由度，使其只能在手轮的驱动下绕自身轴线转动，丝杠的另一端与可移动装配平板上的螺纹孔配合，以实现可移动装配平板的水平位移，移动到钢球与圆环相对位置恰当后，可由螺钉紧固于工作台。

所述圆环及其驱动装置包括圆环、圆环夹具、主轴组件、电机。圆环为内圈镀有半反半透膜的透明光学圆环；圆环夹具为双半圆套夹紧方式，一侧半圆套用于定位，另一半圆套用于夹紧圆环；主轴组件包括主轴、套筒、两对背靠背安装的角接触球轴承、端盖等，两对背靠背安装的角接触球轴承保证主轴旋转过程中跳动小、对中性好，主轴一侧与定位半圆套固连，另一侧通过联轴器连接电机输出轴；电机、主轴部件通过支架固定于可移动装配平板；圆环驱动装置中，电机支架和主轴支架与可移动装配平板的装配部分，开有通孔槽，以便装配。

所述钢球及其驱动装置包括钢球和电机。钢球中心打孔通过联轴器和支杆与电机输出轴相连；电机固定于加载装置的支架上。

所述支撑装置和加载装置包括加载支架、轴承支座、加载螺钉。杠杆加载支架后端铰接于不可移动装配平板；轴承支座固定于加载支架前端，轴承支座是由三个或四个小轴承和一个支座组成，小轴承以不同方向固定于支座；钢球位于轴承支座上，同时与几个小轴承相切，同时电机经联轴器与钢球连接；加载螺钉螺纹联接于不可移动装配平板，加载螺钉正上方为加载支架中部，加载的方式为，旋出螺钉接触到加载支架，继续旋出螺钉，直到钢球贴紧圆环至一定载荷。

所述数据采集装置包括CCD图像传感器(Charge-coupled Device，以下简称CCD)、同轴照明显微镜及支架、光路矫正透镜。CCD联接至显微镜的目镜端，显微镜竖直固定于钢球与圆环接触区域的正上方。激光由同轴显微镜引入照射在钢球与圆环的接触区域，产生干涉图像，干涉图像经玻璃圆环、显微镜，最终被CCD捕获，采集到电脑。

本发明的有益效果是，以钢球和圆环接触的方式，模拟实际中滚动轴承滚珠和轴承外圈的点接触形式。在此接触形式下，接触区的圆环表面线速度相等，且离心力并不会导致润滑油膜的不对称分布。该发明可以测试圆环在超过50m/s的线速度下，钢球与圆环之间的润滑油膜厚度及其变化状况,进而分析各工况下的润滑性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体构造图。

图2是圆环及其装夹方式构造图。

图3是钢球及其驱动装置、支撑装置、加载装置构造图。

图4是本发明实例实验所得的油膜干涉图。

图中：工作台-1，圆环及其驱动装置-2，支架-21、22、23，主轴部件-24，圆环-25，圆环卡-26，圆环卡套-27，联轴器-28，电机-29，导轨-3，右装配平板-4，钢球支撑及加载装置-51，支撑架-511，轴承支座512，加载螺钉-513，加载支架-514，钢球及驱动装置-52，驱动电机-521，联轴器-522，支杆-523，钢球-524，CCD和显微镜及其固定调节装置-6，支架-61，位移台-62，显微镜支架-63，CCD-64，显微镜-65，左装配平板-7，螺母座-8，丝杠-9，轴承座-10，手轮-11。

具体实施方式

在图1中，导轨3固定于工作台1。右侧钢球及其驱动装置52、加载及支撑装置51、CCD和显微镜及其固定调节装置6，装配于右装配平板4上。显微镜65由带有准焦螺旋的显微镜支架63支撑，显微镜支架63固定在位移台62上，通过调整位移台62调节显微镜65至钢球524正上方，位移台62由螺钉固定在支架61,支架61由螺钉固定在右装配平板4上。右装配平板4由螺钉固定于工作台1上，其下方沟槽与导轨3配合，以确保两个装配平板的相对位置准确。左侧圆环及其驱动装置2，装配于导轨3上可移动的左装配平板7上。左装配平板7采用丝杠传动的方式，螺母座8由螺钉固定于左装配平板7上，轴承座10由螺钉固定于工作台1上。轴承座10内的轴承，内圈与丝杠9配合，以约束其相对于工作台1的轴向运动。丝杠9的另一侧与螺母座8的螺纹配合，手轮11驱动丝杠9转动，同时左装配平板7左右移动，移动到某一位置时，可用螺钉将左装配平板7与工作台1固定。

在图2中，圆环25由圆环卡套27和圆环卡26以双半圆套夹紧的方式，通过拧紧螺钉的夹紧，主轴部件24的主轴顶端加工有轴肩和螺纹，圆环卡套27套到主轴上后，由大螺母固定。主轴部件24由支架22、23支撑，主轴部件24的法兰盘通过螺钉紧固在主轴支架22、23上，支架21、22、23由螺钉联接于左装配平板7上。电机29固定在支架21上，并通过联轴器28与主轴部件相连。支架21、23与可移动装配平板的装配部分，开有通孔槽，以便装配。

在图3中，钢球524与驱动电机521之间由联轴器522和支杆523联接，驱动电机521固定在加载支架514上。轴承支座512由支座和3个轴承组成，钢球位于三个轴承上方与三个轴承同时相切的位置，整个轴承支座512通过支撑架511与加载支架514固定。加载支架514铰接与右装配平板4上。装置利用杠杆原理通过加载螺钉513加载。加载的方式为，旋出加载螺钉513接触到加载支架514，继续旋出加载螺钉513，直到钢球524贴紧圆环25至一定载荷。

图4是本发明实例采集到的润滑油膜干涉图像。

本发明实例的操作步骤：

1)清洁钢球524、圆环25。调节手轮11驱动左装配平板7向右移动，使得圆环25处于可与钢球524接触的适当位置，用螺钉固定左装配平板7于工作台1。施加载荷，观察计算机采集到的图像，调节显微镜65，使干涉图像位于采集区的适当位置，并调节焦距使图像清晰。

2)按照预先设计的工况，设置电机参数，设置供油条件。

3)用CCD64拍摄转动过程中的干涉图像，经后期处理得到油膜的厚度。

Claims (10)

1.一种球环模式润滑油膜厚度测量设备，该设备包括润滑油膜两侧接触副，驱动装置，加载装置，测量装置，工作台(1)，其中上述各装置通过支架可移动地设置在工作台上，其特征在于，润滑油膜两侧接触副包括圆环(25)及钢球(524)，其中钢球(524)设置在圆环(25)内侧且与圆环(25)内侧表面接触，形成钢球(524)与圆环(25)组成的球-环接触模型模拟滚动轴承；驱动装置包括钢球驱动装置和圆环驱动装置；加载装置为钢球加载装置。

2.根据权利要求1所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：圆环驱动装置包括圆环装夹装置、主轴(2)和圆环驱动电机(29)，圆环装夹装置为双半圆套的形式，双半圆套分别为圆环卡套(27)和圆环卡(26)，其中主轴一端与圆环卡套(27)连接，一端通过联轴器与圆环驱动电机(29)相连，圆环卡(26)与圆环卡套(27)配合，夹紧圆环(25)，圆环驱动装置通过左装配平板(7)可移动地设置在工作台(1)上。

3.根据权利要求1所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：钢球驱动装置包括支杆(523)、联轴器(522)和钢球驱动电机(521)，钢球(524)上开有固定支杆的孔，支杆(523)的一端与钢球(524)连接，另一端通过联轴器与钢球驱动电机(521)固连。

4.根据权利要求3所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：钢球驱动装置固定于钢球加载装置上，且不与工作台(1)连接。

5.根据权利要求4所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：钢球加载装置包括加载及支撑装置(51)，所述加载及支撑装置(51)通过右装配平板(4)可移动地设置在工作台(1)上。

6.根据权利要求5所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：所述加载及支撑装置(51)包括加载支架(514)、支撑架(511)、轴承支座(512)、轴承及加载螺钉(513)；其中加载支架(514)可枢转地连接在右装配平板(4)上，支撑架(511)固定在加载支架(514)上，轴承支座(512)固定在支撑架(511)上且轴承支座上设置有三个轴承，加载螺钉(513)设置在右装配平板(4)上且通过调节加载螺钉(513)可使加载支架(514)相对于右装配平板(4)转动。

7.根据权利要求6所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于：所述加载支架(514)上设置有固定钢球驱动电机(521)的固定孔及供钢球驱动电机(521)轴穿过的通孔，安装完成后钢球(524)与轴承支座(512)上设置的三个轴承相切接触。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征在于测量装置包括CCD，显微镜及支架，显微镜位于圆环(25)和钢球(524)接触区域外侧，正对接触区域。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征是，圆环(25)的内外径尺寸和钢球(524)的尺寸取自于同一标准轴承。

10.根据权利要求8所述的球环模式润滑油膜厚度测量设备，其特征是，圆环(25)的内外径尺寸和钢球(524)的尺寸取自于同一标准轴承。